Das Universum besteht aus zwei Elementen: Materie und Energie . Die Materie besteht aus Atomen und Molekülen, und Energie bringt diese Atome und Moleküle dazu, sich ständig zu bewegen – entweder indem sie hin und her schwingen oder miteinander kollidieren. Diese Bewegung von Molekülen und Atomen erzeugt eine Art von Energie, die als thermische Energie oder Hitze bekannt ist . Wärme existiert in allen Materialien, selbst in den kältesten Lücken des Weltraums. Dieser Artikel behandelt die Kalorimetrie , eine Methode zur Messung der Wärmeübertragung, die bei einer chemischen Reaktion oder anderen physikalischen Prozessen auftritt. Bevor wir zum Hauptthema springen, wollen wir zunächst verstehen, was Wärme und Temperatur sind. 

Wärme: Wenn zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt gehalten werden, kühlt der Körper mit der höheren Temperatur ab und der Körper mit der niedrigeren Temperatur erwärmt sich. Hier wird die Energie übertragen, wenn die beiden Körper mit Temperaturunterschieden miteinander in Kontakt kommen. Daher wird die Energie, die aufgrund von Temperaturunterschieden zwischen zwei Körpern übertragen wird, als Wärme bezeichnet . Die SI-Einheit der Wärme ist Joule (J).

Temperatur: Die physikalische Größe eines Materials, die die Hitze oder Kälte eines Materials ausdrückt, wird als Temperatur bezeichnet . Die Temperatur wird mit einem Thermometer oder Kalorimeter gemessen. Die Temperatur wird mit drei Skalen Celsius, Fahrenheit und Kelvin gemessen. Die SI-Einheit der Temperatur ist Kelvin (K).

Thermische Eigenschaften der Materie

Die physikalischen Eigenschaften von Materie, die ein Material zeigt, wenn es von Wärme durchströmt wird, nennt man thermische Eigenschaften von Materie. Dies sind die Eigenschaften, die die Art der Materie in Gegenwart von Hitze bestimmen, dh wie sich das Material verhält, wenn es entweder übermäßiger oder geringer Hitze ausgesetzt wird. Die thermischen Eigenschaften von Materie hängen mit ihrer Wärmeleitfähigkeit zusammen. Es gibt vier Arten von thermischen Eigenschaften der Materie, die unten diskutiert werden:

1. Wärmekapazität: Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur des Materials ohne Phasenänderung um 1 °C zu erhöhen, wird als Wärmekapazität bezeichnet. Diese Wärmemenge wird im Allgemeinen in Joule oder Kalorien ausgedrückt und die Temperaturschwankungen oder einfach die Temperatur werden in Celsius oder Fahrenheit ausgedrückt. Die SI-Einheit der Wärmekapazität ist Joule pro Kelvin (J/K).

• Die spezifische Wärmekapazität eines Materials ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Gramm eines Materials um 1 °C zu erhöhen.
• Die molare Wärmekapazität eines Materials ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Mol eines Materials um 1 °C zu erhöhen. 

2. Wärmeausdehnung: Wenn Wärme durch ein Material geleitet wird, ändert sich seine ursprüngliche Form. Mit anderen Worten, ein Objekt dehnt sich beim Erhitzen aus. Es kommt also zu einer Zunahme der Körpergröße aufgrund einer Temperaturerhöhung. Diese Eigenschaft des Materials wird als Wärmeausdehnung bezeichnet . Bei Gasen ist die Wärmeausdehnung messbar hoch, bei Flüssigkeiten und Feststoffen dagegen relativ gering.

3. Wärmeleitfähigkeit: Wärmeleitfähigkeit ist die Eigenschaft eines Materials, Wärme zu übertragen/zu leiten. Wärmeleitfähigkeit tritt auf, wenn zwei Gegenstände in Kontakt gebracht werden. Diese Materialien werden Leiter genannt . Unter den Leitern bewegt sich Wärme von den Materialien mit hoher thermischer Energie zu den Materialien mit niedriger thermischer Energie. Diese Wärmeübertragung wird fortgesetzt, bis das thermische Gleichgewicht zwischen den miteinander in Kontakt gehaltenen Objekten aufrechterhalten wird. Unten ist das Bild, das die Wärmeleitfähigkeit zeigt.

Die Materialien, die überhaupt keine Wärme leiten, werden als Isolatoren bezeichnet. Diese Objekte zeigen isolierende Eigenschaften. Beispielsweise leitet normales Fensterglas weniger Wärme als eine Eisenstange.

Die SI-Einheit der Wärmeleitfähigkeit ist W/mK (Watt pro Meter-Kelvin). Die Wärmeleitfähigkeit kann mit der unten angegebenen Formel berechnet werden:

k = Q × L/A ( _T2 – _T1 )

Dabei ist k die Wärmeleitfähigkeit, Q der Wärmestrom, L die Dicke oder Länge des Objekts, A die Oberfläche des Objekts und (T ₂ – T ₁ ) der Temperaturgradient.

 

4. Thermischer Stress: Aufgrund thermischer Ausdehnung oder Kontraktion erfährt der Körper eine Art Stress. Dies wird als thermischer Stress bezeichnet. Der Nachteil der thermischen Belastung besteht darin, dass sie das Objekt zerstören kann, da sie das Material zum Explodieren bringen kann, sodass sie sich als zerstörerisch erweisen kann. Abgesehen von diesem Nachteil kann thermische Belastung auch Vorteile haben, beispielsweise beim Fügen zweier Teile, indem das eine Teil bei der Fertigung erwärmt und dann über das andere geschoben wird, wodurch diese Kombination abkühlt.

Die Formel zur Berechnung der thermischen Belastung lautet wie folgt:

δ _t = α × L × (T – T ₀ )

wobei δ die Verformung aufgrund einer Temperaturänderung ist, α der Temperaturausdehnungskoeffizient ist, L die ursprüngliche Länge ist, T die Endtemperatur ist und T ₀ die Anfangstemperatur ist.

Beispielsweise sind Risse an den Reifen großer Lastwagen zu sehen, das Fahren mit hohen Geschwindigkeiten auf der Straße verursacht Reibung zwischen der Straßenoberfläche und den Reifen, die Wärme erzeugen, was zu einer Wärmeausdehnung führt. Als Folge dieser Wärmeausdehnung werden die Reifen belastet. Der Riss ist also eine Folge von thermischer Belastung. Lassen Sie uns nun die Kalorimetrie untersuchen, die unten erklärt wird.

Kalorimetrie

Kalorimetrie ist der Zweig der Physik, der Änderungen in der Wärmeenergie eines Körpers überwacht. Wir alle wissen, dass Wärme eine Art von Energie ist. Die Temperatur eines Körpers gibt an, wie viel Wärme er enthält. Je höher die Temperatur, desto größer die Wärmeenergie eines Körpers.

Um festzustellen, ob ein Körper Wärmeenergie aufgenommen oder verloren hat, messen wir daher die Temperatur des Körpers vor und nach der Übertragung. Die Änderung der Wärmeenergie des Körpers wird durch die Temperaturänderung bestimmt.

Kalorimetrie ist die Handlung oder Wissenschaft der Beobachtung der Änderung der Zustandsvariablen eines Körpers, um die Wärmeübertragung zu messen, die mit Änderungen seiner Zustände wie physikalischen Änderungen oder Phasenübergängen unter bestimmten Bedingungen verbunden ist. Zur Durchführung der Kalorimetrie wird ein Kalorimeter verwendet . Denken Sie daran, dass dieses Thema hauptsächlich die Übertragung und Umwandlung von „Wärme“-Energie in andere Energiearten wie Arbeit und umgekehrt behandelt.

Kalorimeter

Ein Gerät, das zur Messung der für die Kalorimetrie erforderlichen Wärme (thermische Veränderungen eines Körpers) verwendet wird, ist als Kalorimeter bekannt .

Ein einfaches Kalorimeter ist ein Gefäß, das im Allgemeinen aus Kupfer besteht, mit einem Rührer aus demselben Material. Das Gefäß wird in einer Holzkiste aufbewahrt, um es thermisch von der Umgebung zu trennen. Zur Messung der Temperatur des Inhalts des Kalorimeters wird ein Thermometer verwendet. Es gibt eine Öffnung, durch die ein Thermometer eingeführt werden kann, um die Änderung der thermischen Eigenschaften im Inneren zu messen.

Im Kalorimeter werden Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen miteinander in Kontakt gebracht. In einem Kalorimeter wird eine festgelegte Menge Brennstoff verbrannt, was zur Erwärmung von Wasser führt. Die Wärme, die durch den Brennstoff verloren geht, ist gleich der Wärme, die durch das Wasser gewonnen wird. Dadurch wird Wärme zwischen den Objekten und dem Kalorimeter ausgetauscht. Vernachlässigung des Wärmeaustausches mit der Umgebung. Deshalb ist es wichtig, dass das Kalorimeter von der Umgebung isoliert ist; um die Genauigkeit des Experiments zu verbessern. Dieser Wärmeaustausch wird durch das Thermometer gemessen.

Kalorimeter-Prinzip

Wenn zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen (idealerweise ein Feststoff und eine Flüssigkeit) in physikalischen Kontakt miteinander kommen, wird Wärme vom Körper mit höherer Temperatur auf den Körper mit niedrigerer Temperatur übertragen, bis ein thermisches Gleichgewicht zwischen ihnen erreicht ist. Der Körper bei höheren Temperaturen gibt Wärme ab, während der Körper bei niedrigeren Temperaturen Wärme aufnimmt.

Das Prinzip der Kalorimetrie erklärt den Energieerhaltungssatz, der besagt, dass die Gesamtwärme, die der heiße Körper verliert, der Gesamtwärme entspricht, die der kühle Körper gewinnt, d. h.:

Wärmeverlust = Wärmegewinn

Die Wärme wird mit der Kalorimetrie-Formel berechnet, 

Q = mC∆T

wobei Q die Wärmekapazität, m die Masse, C die spezifische Wärmekapazität und ΔT die Temperaturänderung ist.

Latente Hitze

Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Masseneinheit eines Stoffes bei konstanter Temperatur vollständig von einem Zustand in einen anderen Zustand zu überführen, wird als latente Wärme bezeichnet . Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Masseneinheit eines Feststoffs bei seinem Schmelzpunkt bei einer konstanten Temperatur in seinen flüssigen Zustand zu überführen, wird als latente Schmelzwärme bezeichnet . Beispielsweise; die latente Schmelzwärme von Eis beträgt 80 kcal kg ^-1 . 

Die Wärmemenge, die benötigt wird, um einen Festkörper der Masse m zu schmelzen, kann geschrieben werden als:

Q = ml

wobei L eine Konstante für das gegebene Material (und die Umgebungsbedingungen) ist oder als spezifische latente Schmelz-/Verdampfungswärme bekannt ist.

Diese Gleichung gilt auch, wenn eine Flüssigkeit ihre Phase in Dampf ändert. Hier wird die Konstante L spezifische latente Schmelzwärme genannt, oder latente Schmelzwärme wird auch verwendet, um dasselbe zu bedeuten. 

Wenn ein Festkörper schmilzt, bewegen sich Moleküle dieses geschmolzenen Festkörpers gegen die starke molekulare Anziehung auseinander und dies erfordert etwas Energie, die von außen zugeführt wird. Somit ist die innere Energie eines gegebenen Materials in der flüssigen Phase größer als in der festen Phase. In ähnlicher Weise ist die innere Energie eines bestimmten Materials in der Dampfphase größer als in der flüssigen Phase.

Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Einheitsmasse einer Flüssigkeit bei ihrem Siedepunkt bei einer konstanten Temperatur in ihren Dampfzustand zu überführen, wird als latente Verdampfungswärme bezeichnet . Beispielsweise; die latente Verdampfungswärme von H ₂ O beträgt 540 kcal kg ^–1 .

Beispielprobleme

Problem 1: Die Haut einer Person wird stärker verbrannt, wenn sie mit 1 g Dampf bei 100 ^o C in Kontakt kommt, als wenn sie mit 1 g Wasser bei 100 ^o C in Kontakt kommt. Erklären Sie.

Lösung:

Aufgrund der latenten Verdampfungswärme hat Dampf eine größere Energie als kochendes Wasser. Die innere Energie von siedendem Wasser ist bei 100 ^o C geringer als die innere Energie von Dampf bei gleicher Temperatur. Daher wird die Haut einer Person stärker verbrannt, wenn sie 1 g Dampf bei 100 ^° C ausgesetzt wird.

Problem 2: Ein Kalorimeter wird in einer Holzkiste aufbewahrt, um es thermisch von der Umgebung zu isolieren. Warum ist es notwendig? 

Lösung:

Wenn ein Kalorimeter nicht in einer isolierten Holzkiste aufbewahrt wird, muss die Wärme des Kalorimeters mit der Umgebung ausgetauscht werden, was das Prinzip des Kalorimeters verletzt, da zur Bestimmung der genauen spezifischen Wärmekapazität die gesamte übertragene Wärme bekannt sein muss. Daher wird ein Kalorimeter in einer Holzkiste aufbewahrt, um es thermisch von der Umgebung zu isolieren.

Problem 3: Beim Sieden einer festen Schmelze oder einer Flüssigkeit steigt die Temperatur auch bei Wärmezufuhr nicht an. Wo geht die Energie hin?

Lösung :

Wenn eine feste Schmelze oder eine Flüssigkeit siedet, steigt die Temperatur auch bei Wärmezufuhr nicht an, da die zugeführte Wärme tatsächlich dazu verwendet wird, das Kräfteband zwischen den Molekülen des Materials zu brechen und die Moleküle auseinander zu bringen, bis sich der Körper vollständig verändert sein Zustand. Somit wird diese zugeführte Wärme als kinetische Energie auf die Moleküle übertragen und die Temperatur des Materials bleibt während des Prozesses konstant.

Aufgabe 4: Ein Aluminiumgefäß mit einer Masse von 0,5 kg enthält 0,2 kg Wasser bei 20 ^o C. Ein Eisenblock mit einer Masse von 0,2 kg bei 100 ^o C wird vorsichtig ins Wasser gegeben. Finden Sie die Gleichgewichtstemperatur der Mischung. Die spezifischen Wärmekapazitäten von Aluminium, Eisen und Wasser sind 910 J kg ^–1 K ^–1 , 470 J kg ^–1 K ^–1 bzw. 4200 J kg ^–1 K ^–1 .

Lösung:

Gegeben,

Masse des Aluminiumgefäßes = 0,5 kg

Wassermasse = 0,2 kg

Masse des Eisenblocks = 0,2 kg

Temperatur von Wasser und Aluminium = 20 ^o C = 20 + 273 = 293K

Eisentemperatur = 100 ^o C = 100 + 273 = 373K

Spezifische Wärme von Aluminium = 910 J kg ^-1 K ^-1

Spezifische Wärme von Wasser = 4200 J kg ^-1 K ^-1 

Spezifische Wärme von Eisen = 470 J kg ^-1 K ^-1 

Sei T die Gleichgewichtstemperatur der Mischung.

Wärmegewinn durch Wasser = 0,2 × 4200 × (T-293)

Wärmegewinn durch Eisen = 0,5 × 910 × (T-293)

Deswegen,

Gesamter Wärmegewinn, H ₁ = 0,2 × 4200 × (T-293) + 0,5 × 910 × (T-293)

                      = (T-293)[0,2 × 4200 + 0,5 × 910]

                      = (T-293)[840 + 455]

                      = (T-293)1295

Wärmeverlust durch Eisen, H ₂ = 0,2 × 470 × (373-T)

                      = 94 (373-T)

Nun wissen wir, dass

Wärmegewinn = Wärmeverlust

(T-293) 1295 = 94 (373-T)

(T-293)1295 / 94 = (373-T)

(T-293)14 = (373-T)

14T – 4102 = 373 – T

15T = 4475    

T = 4475/15 = 298,33 K ≈ 298 K

Daher ist T = (298 – 273) = 25 ^o C  

Daher beträgt die Gleichgewichtstemperatur der Mischung 25 ^° C.

Aufgabe 5: Ein Eisenwürfel (Dichte = 8000 kg m ^-3 , spezifische Wärmekapazität = 470 J kg ^-1 K ^-1 ) wird auf eine hohe Temperatur erhitzt und auf einen großen Eisblock bei 0 ^o C gestellt Würfel schmilzt das Eis darunter, verdrängt das Wasser und geht einfach in das Eis hinein. Berechnen Sie die Anfangstemperatur des Würfels. Vernachlässigen Sie jeglichen Wärmeverlust außerhalb des Eises und des Würfels. Die Dichte von Eis = 900 kg m ^-3 und die latente Schmelzwärme von Eis = 3,36 × 10 ⁵ J kg ^-1 .

Lösung:

Gegeben:

Dichte des Eisenwürfels = 8000 kg m ⁻³

Spezifische Wärmekapazität, s = 470 J kg ⁻¹ K ⁻¹

Dichte des Eises = 900 kg m ⁻³

Latente Schmelzwärme von Eis, l = 3,36 × 10 ⁵ J kg ⁻¹

Sei v das Volumen des Würfels.

Verdrängtes Wasservolumen = v

Masse des Würfels, m = 8000 v kg

Masse des geschmolzenen Eises, M = 900 v

Sei t K die Anfangstemperatur des Bügeleisens. 

Jetzt wissen wir

Wärmegewinn = Wärmeverlust

Deswegen,

Wärmegewinn durch das Eis = Wärmeverlust durch den Eisenwürfel

   m × s × (t − 273) = M × l

⇒ 8000 V × 470 × (T − 273) = 900 V × ( 3,36 × 10 ⁵ )

⇒ 376 × 10 ⁴ × (T − 273) = 3024 × 10 ⁵

⇒ 376 × (T − 273) = 30240

⇒ 376T – 102648 = (30240 + 102648)/376

⇒ T = 132888/376

⇒ T = 353,43 K ≈ 353 K

⇒ T = 353 – 273 = 80 ^° C

Daher beträgt die Anfangstemperatur des Würfels 80 ^o C.

Aufgabe 6: Berechnen Sie die Zeit, die zum Erhitzen von 20 kg Wasser von 10 ^o C auf 35 ^o C mit einem Tauchsieder mit einer Nennleistung von 1000 W erforderlich ist. Nehmen Sie an, dass 80 % der Leistungsaufnahme zum Erhitzen des Wassers verwendet werden. Spezifische Wärmekapazität von Wasser = 4200 J kg ^-1 K ^-1 .

Lösung:

Angesichts dessen, 

Masse des Wassers, m = 20 kg

Temperaturänderung, Δt = 25 °C

Nennleistung Tauchstab, p = 1000 W

Spezifische Wärmekapazität von Wasser, s = 4200 J kg ⁻¹ K ⁻¹

Gesamtwärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von 10 °C auf 35 °C zu erhöhen,

Q = m × s × Δt

Q = 20 × 4200 × 25

Q = 20 × 4200 × 25 = 21 × 10 ⁵ J

Sei t die Zeit, die benötigt wird, um 20 kg Wasser von 10 °C auf 35 °C zu erhitzen. 

Nur 80 % der zugeführten Energie werden zur Erwärmung des Wassers verwendet. Deswegen,

Energie des zum Erhitzen von Wasser verwendeten Tauchstabes = t × 0,80 × 1000 J

Jetzt,

t × 0,80 × 1000 = 21 × 10 ⁵

t × 800 = 21 × 10 ⁵ = 2625 s ⇒ t = 262560 = 43,75 min ≈ 44 min

t = (21 × 10 ⁵ )/800

  = 21000/8 = 2625 s = 43,75 min

  = 43,75 Minuten ≈ 44 Minuten

Daher beträgt die erforderliche Zeit 44 min .

Aufgabe 7: Ein 4 kg schwerer Ziegelstein wird aus 2 m Höhe in einen 1 m tiefen Fluss geworfen. Unter der Annahme, dass 80 % der potentiellen Gravitationsenergie schließlich in thermische Energie umgewandelt wird, geben Sie diese thermische Energie in Kalorien an. 

Lösung:

Gegeben:

Ziegelmasse, m = 4 kg

Gesamter vertikaler Abstand, der durch Ziegel abgedeckt wird, h = 3 m

Potentielle Gravitationsenergie umgewandelt in Wärmeenergie = 80 %

Deswegen,

Änderung der potentiellen Energie des Ziegels = mgh = 4 × 10 × 3 = 120 J

Jetzt,

Thermische Energie = 120 × (80/100) = 96 J

Thermische Energie in Kalorien, T = 96/4,2

                                              = 22,86 kal ≈ 23 kal                         

Daher beträgt die erforderliche thermische Energie in Kalorien 23 Cal.